粘彈性表面活性劑基壓裂液體系研究進展

1粘彈性壓裂液作為油氣藏的主要生產和配套措施，壓裂液得到了迅速發(fā)展和應用。壓裂液是壓裂技術的重要組成部分。目前,國內外最常使用的壓裂液為水基壓裂液,其大致可分為3種類型:(1)天然植物膠壓裂液;(2)纖維素壓裂液;(3)合成聚合物壓裂液。隨著水力壓裂技術的進步,為使支撐劑遠離井眼達到深穿透,國外從60年代末就開始使用高粘度的交聯壓裂液。交聯壓裂液的發(fā)展,保證了高溫深層壓裂施工的成功。但是如果壓裂液在地面交聯,施工時以高速進入管線和通過炮眼,高速剪切仍然會造成嚴重的剪切降解,產生永久的粘度損失。因此,在80年代,水基壓裂液一個顯著的發(fā)展是采用了延遲交聯技術。這使得壓裂液可產生較高的井下最終粘度和更好的施工效率。上述幾種壓裂液體系,已在國內外各油田得到廣泛的應用,并取得良好的增產效果。但使用這些壓裂液體系的共同的缺陷,就是壓裂液破膠不完全,而且破膠后殘渣將殘留在裂縫內,殘留在裂縫中的聚合物將嚴重的降低支撐劑充填層的滲透率,從而傷害產層,導致壓裂效果變差。據資料介紹,從傳統(tǒng)施工返排的流體和低濃度瓜膠液分析表明:即使在低滲透性油藏,僅有注入聚合物的35%～40%能被返排出來,而殘余的聚合物留在裂縫中降低了充填層的滲透率進而影響油井產量。1997年,壓裂液的研制和開發(fā)取得了突破性進展。作為對傳統(tǒng)聚合物/破膠方法的挑戰(zhàn),Eni-Agip的流體專家聯合Schlumberger的室內工程師推薦了一種粘彈性流體用于Giovanna的修井作業(yè),即所設計的壓裂液使用粘彈性表面活性劑(VES)而不用聚合物。VES壓裂液粘度低,但能有效地輸送支撐劑,原因在于VES壓裂液攜帶支撐劑是依靠流體的塑性和結構而不是流體的粘度,同時能降低摩阻力。該壓裂液配制簡單,主要用VES在鹽水中調配。因為無聚合物的水化,VES很容易在鹽水中溶解,不需要交聯劑、破膠劑和其它化學添加劑,因此無地層傷害并能使充填層保持良好的導流能力。粘彈性壓裂液正因為具有上述特性,亦稱清潔無聚合物壓裂液(簡稱VESfluid或CFRAC)。據資料報道,國外石油公司使用該類壓裂液已成功進行了超過2400次的壓裂作業(yè),取得了很好的壓裂效果并達到長期開采的目的。2流體具有粘度VES壓裂液主要由長鏈脂肪酸衍生物季銨鹽表面活性劑組成。這種表面活性劑是一種具有粘彈性的小分子,它的分子尺寸比瓜膠分子小5000倍的數量級,它包括親水基和長鏈疏水基,分子鏈上有正電荷端和負電荷端。在鹽的存在下,它們形成伸展的膠束聚集體。當這種表面活性劑在溶液中的濃度高于臨界膠束濃度,這些膠束互相纏繞并形成空間網狀結構,流體呈現出粘彈性,能有效地攜帶支撐劑。這種體系,不像瓜膠壓裂液,它不需要交聯劑。膠束結構中存在相互間排斥力,正是這種力使膠束保持球形,從而導致流體具有很低的粘度。但采用無機或有機陽離子能提高表面活性劑流體的粘度。當與油、氣接觸或被地層水沖洗,VES壓裂液通過將蠕蟲狀的膠束破壞成小球形膠束而降低粘度。這些球形膠束彼此不能纏結,因而導致流體具有水樣的粘度,不需要破膠劑流體就很容易被返排至地面。VES壓裂液的流變性特別適合低、中滲透性的強化作業(yè),正如Giovanna油井所需要的。隨著VES流體通過儲層基質,它的流變特性幫助減小了類似于鹽水和HEC流體的危險。在裂縫壓力下,VES流體的濾失速度大大地低于用HEC流體所觀察到的濾失速度。在壓裂作業(yè)期間,良好的流體濾失特性加快了TSO(端部脫砂壓裂)到達的時期,并獲得大的裂縫寬度。在地層中用傳統(tǒng)的壓裂液,像鹽水、HEC難于達到TSO。低表觀粘度下,VES流體表現出支撐劑懸浮能力,這也幫助形成TSO并獲得更寬的裂縫。具有25mPa·s的流體能夠非常有效的攜砂。在Giovanna6的現場,所使用的一種具有18mPa·s的清潔壓裂液即能滿足攜砂的要求。流體所表現出的懸砂能力是由于膠束的網架結構和締合的彈性粘度,這就減少了攜砂所需的流體粘度。通過降低所需的粘度,VES作業(yè)能更好的設計出最佳的裂縫高度和有效的裂縫長度。此外,流體是無聚合物的,不會留下像聚合物基壓裂液那樣的流體,在支撐劑充填層和裂縫壁面殘余物的形成亦將大大的減少,自然將保留更高的裂縫和地層間的傳導率。結果減少了地層傷害并且改善了負表皮效應,提高了潛在的產量。3壓裂液體系與瓜膠壓裂液體系的制備相比與瓜膠壓裂液體系相比,配制清潔壓裂液更簡單更可靠,不需要太多的化學添加劑并易于操作和控制。配制清潔壓裂液和瓜膠體系的對比見表1。4壓裂作業(yè)中ves流體的應用實例1:埃尼—阿吉普石油公司在亞得里亞海的Giovanna油田進行壓裂作業(yè)時,發(fā)現聚合物壓裂液不適用于在出砂井段進行壓裂充填,于是采用了這種新的粘彈性表面活性劑基流體,在Giovanna油田的EMMAA6、EMMAA8、Giovanna6等油井用含HEC和VES的壓裂液進行對比試驗,發(fā)現這種含VES的壓裂液(CFRAC)的性能優(yōu)于聚合物壓裂液。采用含VES的壓裂液進行壓裂作業(yè)的油井不僅大大減少了地層傷害,而且獲得了理想的油井產量,達到了預期目的。表2是對比實驗的結果。對受污染、致密砂巖的Giovanna6井,成功的進行了端部脫砂壓裂。由于VES流體達到了TSO,GIO6壓裂作業(yè)獲得高的裂縫導流能力?；谶@些結果,VES流體滿足Adriatic海上油井(AdriaticSeawells)的裂縫充填作業(yè)的要求。Giovanna6井的修井作業(yè),肯定了VES流體的特性能夠產生TSO并且產生了達到高產和增加油井壽命的高的裂縫傳導率。實例2:在SouthTexas一塊產氣的砂巖地層用繞管作為導管進行壓裂。這個油田生產主要是用27/8″油管,無油管完井。在2094～2099m的未波及帶選用CFRAC壓裂液處理。此段平均井底靜止溫度是87℃,油藏的壓力大約為1362kg、滲透率大約是0.1md且壓裂梯度為1.27kg/m。壓裂液的組成:含2%表面活性劑的VES流體和3.60kg/m3有機鹽(水楊酸鈉)。KCl組分用做粘土穩(wěn)定劑。在注入實驗基礎上,用4PPA最大的支撐劑濃度,以8的速度泵入20/40目陶瓷6349kg。壓裂作業(yè)是在4PPA的支撐劑濃度,以4896kg的最大壓力及8.2的泵速進行壓裂。壓裂施工前,油井在363kg流動管壓下以約2831m3/d的產量生產。壓裂施工后,產量曾達28310m3/d,在136kg的流動管壓下連續(xù)生產能力大約22640m3/d。簡言之,VES壓裂液的特性使繞管壓裂成為一種可行的作業(yè)。實例3:這個實例描繪了在ElReno,Oklahoma的壓裂作業(yè)中VES流體表現出優(yōu)于聚合物流體的壓裂液效率。這口井的井底溫度是88℃,滲透率是0.3md。特別在低滲透性氣井,VES壓裂液有很好的濾失控制性?；谶@個油藏先前的經驗,壓裂時用了45%的前置液。壓裂前形成的微裂縫說明:壓裂液有85%的效率。這次壓裂的施工方案列于表3。由于VES流體高的壓裂液效率,因此用于此次作業(yè)的VES流體量比設計用聚合物時少55%。VES流體不能形成濾餅,濾失量由粘度控制。施工作業(yè)結果表明,由于濾液粘度比水高,流體漏失進基質中的速度是非常低的。國外壓裂液有著體系配套、種類齊全、針對性強等特點。我國壓裂液體系的研究與開發(fā)因起步較晚,與國外相比尚有一定的差距。近幾年隨著壓裂技術的廣泛應用和研究的不斷深入,我國對壓裂液體系的研究與開發(fā)也取得了很大的進展。目前,國內對清潔壓裂液的研究已經起步,我們在室內做了許多基礎性研究工作并已取得了較好的結果,但還有大量的研究工作尚待開展。5開發(fā)和研究油藏水基壓裂液國外對清潔壓裂液的研究和應用表明:高效、低傷害、低成本是壓裂液發(fā)展的主題。VES壓裂液提供了很多的優(yōu)點并且能改善裂縫的導流能力。由于VES壓裂液的獨特性能,使其具有比傳統(tǒng)聚合物壓裂體系更加廣闊的發(fā)展前景。根據目前對水基壓裂液研究和應用的情況以及水力壓裂技術的發(fā)展實際,從油藏可持續(xù)開采的角度考慮,在我國開展清潔壓裂液的研究是十分必要的。一是可以降